北京地区起沙起尘的土壤粒度特征分析

北京地区起沙起尘的土壤粒度特征分析

近年来，北京经常发生沙害，这引起了科学家和相关政府机构的高度关注，并唤醒了人们的环境保护意识。北京作为中国首都、国际知名的大都市,风沙活动、沙尘暴备受国际社会的关注,早在1977年联合国环境规划暑内罗毕沙漠化会议上就将北京市列为受沙漠化危害的地区,由此引起国内学术界对北京风沙问题展开了一场讨论。1985～1986年,原中国科学院兰州沙漠研究所受国家计委的委托,在北京市有关单位协同下,对北京风沙问题进行了调查研究。其主要结论:威胁北京的风沙物质有不同的来源,扬沙物质为就地起沙;沙尘暴沙尘的主要提供地为产生沙尘暴的中心和过往路径;一部分飘尘来自更远的内陆沙漠。随着北京植被覆盖度的增加,北京的扬沙(指就地起沙)日趋减少。从北京气象台近50年风沙日数统计看(表1),沙尘天气日数总体呈减少态势,20世纪90年代沙尘暴、扬沙、浮尘及大风日数分别为50年代的8.2%,9.7%,27.4%,70.5%。沙尘天气日数和大风日数并不是同比例减少的,其大风天气日数与风沙天气日数的比值(即每个大风日所产生的风沙天气日数),在50年代为1∶4.1,即平均一个大风日产生4.1个沙尘日;90年代比值为1∶0.74,即平均一个大风日产生0.74个沙尘日,可见北京沙尘日数的减少并不是仅仅因为大风日数的减少,这说明北京长期的风沙治理工作取得了一定的成效。但北京的风沙威胁依然存在,且十分严重,就地起沙扬尘问题也还远末解决,特别是2008年的奥运会已迫在眉睫,使得北京的防沙治沙任务十分紧迫,形势十分严峻。为了科学合理、有效地防治北京本地农业用地的就地起沙起尘,我们在2003和2004年连续两年对北京郊区不同土地利用类型进行了广泛的野外观测,以了解不同的土地利用方式对起沙起尘的影响,掌握京郊不同土地利用类型的起沙起尘的规律。为通过建立合理的土地利用方式来防治沙尘危害提供科学依据。1观测仪和观测点的选择1.1风速、风向、模型简化野外风场观测使用的仪器是北京市防沙治沙工程技术中心与北京市气象局研制的野外用梯度风速仪,可测不同高度上的9个风速及0～360°风向,风速的测量范围为0.3～30m,分辨率为0.1m/s;风向的分辨率为3°。该仪器配有数据采集器,能自动采集1min,10min滑动平均数据,结果以ASCII码数据输出,可直接用Excel软件进行统计分析。地表起沙尘的收集使用的是北京市防沙治沙工程技术中心研制的新型平口式积沙仪,该仪器总高度85cm,沙尘采集高度60cm,采集梯度为30个连续的2cm×2cm进沙口,采集效率>80%。1.2北京南北努力地类地表类型的划分从防沙治沙技术的角度出发,根据不同地表覆被类型对防风治沙的作用差异,确定观测的地类有林地(包括防护林地、幼林地、经济林地、林灌草地四种),种植业用地有玉米留茬地、翻耕地、冬小麦地三种,草业用地有饲草地(苜蓿)和草坪地两种,荒地有低矮草地(草本植物)和杂草地(禾本植物)两种,其他类型有采砂矿区和河滩地两种。考虑到北京的常年主风向为北风、西北风,南北郊区的各种土地利用类型地表特征基本相近,因此重点在北京上风向的北郊进行观测,南郊暂未观测。在北郊的昌平、延庆、怀柔、密云、顺义、平谷等六个郊区共选取了32个观测点。观测样点分别为:留茬农地6处,翻耕地6处,冬小麦地2处,草地3处,荒地4处,林地(包括防护林及幼林)4处,经济林地4处,苜蓿地2处,裸地1处。典型样点的位置与地表特征见表2。在2003和2004年连续两年的春季里,对这些样点进行了地表粗糙度和起沙(尘)的实地观测。在每一观测点都进行了土壤的常规采样,每个采样点的统一采样规范为地表0cm,地下5、10、15、20、25和30cm,共7个样品为一组,样品总数224个,以分析土壤的机械组成和理化性质。2地表粗糙度、地表盖度在近地层中,风速与高度的对数成正比,即风速廓线是随高度呈对数分布的,在半对数纸上表现为一条直线。根据风速廓线可以计算地表粗糙度。地表粗糙度是描述各种表面空气动力学特征的重要参数,粗糙度越大,地表起沙起尘越困难。即粗糙度反映了地表抗风蚀的能力,提高地表粗糙度可以有效地防止风蚀的发生。图1为所观测的各种地类的风速廓线图。从图上可以直接看出,不同土地利用类型的地表粗糙度明显不同。地表粗糙度计算结果表明(表3),不仅不同地类地表粗糙度不同,就是同一地类不同观测点的值相差也很大。这是因为虽属同一地类,但各地的地表状况却有很大差别。例如,同是留茬地,留茬的高度及植株的密度不同,地表盖度不同,地表粗糙度就有很大差异。再如同是翻耕地,有的翻耕后没有平整,土块垄脊覆盖地表,粗糙度就大一些,反之就小。各种地类中,粗糙度最大的是顺义赵全营镇的苜蓿地,苜蓿平均高度30cm,地表盖度大于97%,粗糙度高达3.545cm;粗糙度最小的是昌平的翻耕地,地表裸露平坦,无任何植物覆盖,其粗糙度仅为0.016cm。相比之下,秋收后翻耕土地的地表粗糙度普遍偏小,加之土壤质地疏松,没有地表覆盖物的保护,在大风吹扬下,土壤中粒径较小的粘粒部分很容易遭受侵蚀,并损失大量养分。这里还值得一提的是,不同的防护林结构其地表粗糙度有很大差异。乔灌草复合的防护林粗糙度最大,其次为地表有一定灌草覆盖的乔木林地,地表无植被覆盖的单一乔木防护林地表粗糙度最小,三者粗糙度的平均值分别为1.359cm,0.933cm和0.475cm。可见乔灌草复合的防护林防风效果最佳,单一乔木防护林只能降低一定高度上的风速,但贴地层风速降低效果并不好。此外冬小麦地表粗糙度较大是因为两个观测点的观测日期分别为4月15日和4月20日,两处的小麦苗高平均已达25cm,盖度大于95%,已同草地相当。需要指出的是冬小麦地在小麦返青拨苗之前,地表粗糙度应是较低的。3观测沙量与沙量2003年大风日数骤然减少,2004年大风日数也不多,使得地表起沙的采集较为困难。在野外测风过程中,常能观察到当一阵风速大于起沙风速的风吹过时,裸露的地表上扬起一层薄雾状的沙尘,但由于风有极强的阵性,起沙扬尘的持续时间一般很短,用积沙仪难以收集到可供称量的有效量。幸好,2004年3月16日傍晚在延庆康庄观测时,遇上了一场持续时间较长的大风,收集到了可供称量的沙量。那天延庆康庄大约从下午4:30开始起风,风速较大,10分钟后观察到裸露耕地表面开始起沙,能看到薄雾状的沙尘。从4:30～4:40的10分钟期间2m高的平均风速为6.36m/s,最高瞬时风速7.34m/s,最低瞬时风速5.45m/s。由此可以推测,北京郊区裸露地表的起沙风速在6m/s左右。为采集到足可以称量的沙量,在起沙尘的玉米留茬地共观测了1小时30分钟。此玉米留茬地的地表特征为沙质地表,垄播的垄已不明显,呈东西走向,和风向的夹角大于50°。玉米残茬高约8cm,株间距25～35cm,行间距50～60cm,盖度<5%,地表粗糙度为0.097cm。在观测期间,2m高处的最高瞬时风速为13.2m/s,最低为6m/s,平均风速8.6m/s,共采集到沙尘17.9g(两台积沙仪的平均值),输沙通量高达0.597kg/(m·h)。输沙量随高度分布如图2所示,较好地符合负指数分布,这和众多学者研究的结果是一致的。4农田不同立地条件对土壤抗风蚀能力的影响图3是不同土地类型的土壤机械组成图。从表层土壤的机械组成可以看出,荒地成分最粗,农田、林地次之,草地土壤成分最细,其中冬季翻耕地又比留茬地成分略粗。由于土壤风蚀过程中细粒成分首先被风力带走,导致地表粗化,因此表层土壤的粒度变化直观反映了土壤抗风蚀能力的大小,即荒地抗风蚀能力最差,农田次之,而草地土壤抗风蚀能力最强。林地虽然作为防风蚀的主要生物措施,但如果缺乏贴地层灌草植被覆盖,防风蚀效果不及覆盖良好的草地植被。就农田而言,留茬地比冬季翻耕地明显提高了抗风蚀能力。以上通过地表空气动力学特征的观测和地表土壤粒度特征的分析表明,土地利用方式深刻影响着地表起沙扬尘的特性,这为通过土地利用结构的调整来防止土壤风蚀,从而达到防沙治沙的目的提供了依据。5不同植被覆盖物对风蚀起沙的影响1)北京地区永定河谷、潮白河谷50～60年代广泛存在的流沙地现已不复存,防沙治沙工作取得了明显成效,说明北京本地的起沙起尘是可防可治的。虽然起沙扬尘的强度有所减弱,但问题依然突出。在2m高的平均风速为8.6m/s时,旱作玉米留茬地上观测到的输沙通量仍然高达0.597kg/(m·h)。虽然京郊产业结构非农化进程较快,但仍存在大面积旱作农田,是本地起沙起尘的巨大面源,因而防治就地起沙起尘的任务仍十分艰巨,形势仍十分严峻。2)不同土地利用类型起沙起尘特性有很大不同,在同等风速条件下,可起沙性从大到小依次为翻耕地、留茬地、经济林、荒地、林地、草地。地表植物覆盖情况对风蚀起沙有显著影响,风洞模拟结果表明,在风速12.7m/s条件下,植被盖度大于60%左右时,风蚀率几乎为零;植被盖度小于20%时,出现强烈的风沙流,因风沙流侵蚀,风蚀率陡增。风蚀率和植被盖度之间的关系表现为风蚀率随植被盖度的减少呈指数增加。保护植被和提高植被覆盖率能有效改变气流性质,抑制风沙流的产生,此为防治土壤风蚀的关键措施之一。3)京郊旱作耕地的风蚀在所难免,因在冬春风季里,难以确保广大旱作耕地的地表植物覆盖率都大于60%。现在的问题是在耕作过程中,采取怎样的措施使风蚀率降到最低,输沙通量减到最小,使其控制一个可以容忍的程度范围内,一方面减少本地起沙对北京沙尘天气的贡献,另一方面防止土壤流失以保护地力。免耕、留茬、垄播、翻耕覆盖、条带耕作、粮灌草间作套种、建设防护林网等都是可以采取的技术措施,如何将这些技术集成应用以达到最佳的防治效果,还有待进一步研究。4)土地利用方式对地表起沙扬尘的深刻影响表明,调整土地